Перегонка нафти проти піролізу: вибір правильного процесу для вашої сировини

Основні принципи: фізичне розділення при перегонці та термічний розпад при піролізі

Як різниця температур кипіння забезпечує ефективність перегонки нафти

Процес перегонка сировинного нафту використовує різницю температур кипіння вуглеводнів для їх розділення за допомогою так званої фракційної перегонки. Легкі фракції, такі як нафта, починають випаровуватися при температурах від 35 до приблизно 200 градусів Цельсія, у той час як важчі фракції залишаються рідкими навіть при температурах понад 550 градусів. Сьогодні багато нафтопереробних заводів працюють у вакуумних умовах, тиск у яких нижче 50 мілібар. Це зниження тиску фактично зменшує температуру кипіння приблизно на 300 градусів, що допомагає уникнути пошкодження матеріалів від надмірного нагрівання. Ефективність цього методу полягає в тому, що він може забезпечити отримання початкових дистилятів з рівнем чистоти до 95 відсотків без зміни молекулярного складу розділюваних компонентів.

Радикальні реакції та механізми розриву зв'язків під час піролізу вуглеводнів

Процес піролізу в основному здійснюється шляхом нагрівання матеріалів при температурі від приблизно 400 до 800 градусів Цельсія, що руйнує вуглецево-вуглецеві та вуглецево-водневі зв'язки через ці радикальні ланцюгові реакції. Це перетворює важчі речовини на легші вуглеводневі продукти. Піроліз відрізняється від дистиляції тим, що він дійсно змінює самі молекули, і ці зміни не можна скасувати. Коли температура піднімається до приблизно 750 градусів Цельсія, спостерігається максимальне утворення етилену й метану завдяки так званому бета-розщепленню. Але якщо температура піднімається вище 1000 градусів, відбувається інше явище — матеріал починає перетворюватися на графіт, що означає, що на виході отримують менше рідких продуктів. Тому для отримання найбільш корисних продуктів під час цього процесу дуже важливо точно витримати температуру.

Дослідження випадку: дистиляція на нафтопереробному заводі порівняно з піролітичними установками переробки відходів на хімічні продукти

У статті 2021 року, опублікованій у Journal of Petroleum Exploration and Production, дослідники вивчали, як традиційні атмосферні установки прямої перегонки нафти, які переробляють приблизно 250 000 барелів на добу сирої нафти, порівнюються з новими модульними системами піролізу, що переробляють лише 500 тонн на добу пластикових відходів. Метод перегонки досяг вражаючої ефективності використання енергії на рівні 82% під час виробництва бензину. Тим часом, метод піролізу досяг лише 58% ефективності, хоча мав перевагу, оскільки використовував виключно пластикові матеріали після споживання. Цікавим є те, що після деякої гідрообробки ці піролізні нафтопродукти насправді добре підходили для змішування в каталітичних крекінг-установках (FCC) у пропорціях від 15 до 20%. Це означає, що підприємства могли скоротити потребу у свіжому нафтені приблизно на 12 000 кубічних метрів щороку, що становить значну економію коштів для нафтопереробних заводів, які прагнуть використовувати вторинні матеріали в своїх операціях.

Відповідність сировини: узгодження складу з перегонкою нафти та піролізом

Ключові властивості, що впливають на коксування у термічній обробці

Процес перегонки працює найбільш ефективно, якщо використовувати нафтову сировину зі стабільними температурами кипіння та мінімальним вмістом залишкового вуглецю. Це спрощує розділення суміші на цінні продукти, такі як нафта, дизельне паливо та різноманітні залишкові фракції. З іншого боку, технологія піролізу добре проявляє себе з матеріалами, які легко піддаються крекінгу, що в значній мірі залежить від ступеня розгалуження молекул та їхнього співвідношення водню до вуглецю. Наприклад, пластмаси на основі поліолефінів зазвичай перетворюються на корисні хімічні речовини, такі як етилен і пропілен, на 75–85% під час піролізу, згідно з дослідженнями NREL за 2022 рік. Це навіть краще, ніж у разі з прямоланцюговими алканами, які зазвичай зустрічаються в традиційних джерелах нафти.

Проблеми з забруднювачами: сірка, кисень і залишки в піролітичних маслах

Піролітичні масла, отримані з пластикових відходів або біомаси, містять 0,5–3,2% кисню та 0,1–1,8% сірки вагово, що потребує дорогого гідрооброблення перед очищенням. Хлоровані добавки в пластиках утворюють корозійний HCl, що вимагає спеціальних матеріалів для реакторів і систем очищення газу. Навпаки, сірка в сирій нафті при дистиляції зосереджена у важчих фракціях, що спрощує її контроль у наступних процесах.

Порівняльний аналіз: нафтопродукти проти піролітичних масел, отриманих з відходів

Традиційні нафтові сировинні матеріали мають дуже стабільний склад, що чудово підходить для процесів перегонки. Піролізні олії, з іншого боку, пропонують щось нове, адже можуть перетворювати різноманітні суміші відходів на корисні вуглеводні. Останні дослідження 2024 року, присвячені системам каталітичного крекінгу, показали, що коли нафтоочисні заводи сумішують приблизно 10% піролізної олії з вакуумною газовою олією, це дозволяє знизити утворення коксу приблизно на 18%, що досить суттєво, враховуючи, що виходи залишаються майже незмінними. Проте існує проблема, пов'язана з різноманітними забруднювачами в піролізних оліях. Нафтоочисні заводи створювалися для роботи зі стабільною сировиною, але залишкові каталізатори, що залишаються після процесів деполімеризації, ускладнюють масове впровадження піролізних олій на більшості існуючих потужностей.

Ефективність процесу: вихід, ефективність, сумісність з інфраструктурою

Виходи легких олефінів: нафта проти піролізної олії в парових крекінг-установках

Коли парові крекери працюють з нафтовими сировинами, вони зазвичай виробляють приблизно 25–30% легких олефінів, оскільки матеріал має стабільний склад і працює в добре контрольованих умовах. У разі піролізних нафтинафт ситуація ускладнюється. Навіть після проходження процесів гідрообробки, ці матеріали зазвичай дають лише близько 15–20% легких олефінів. Чому? Перш за все, через те, що їхні молекулярні структури суттєво відрізняються, і вони часто містять домішки, такі як хлориди. Цікаве спостереження було оприлюднене у звіті Нафтохімічного інноваційного консорціуму у 2023 році. Щоб отримати таку саму кількість етилену, як із нафти, для піролізних нафтинафт потрібні температури крекінгу, які приблизно на 10–15% вищі. Ця різниця температур суттєво впливає на експлуатаційні витрати та ефективність для багатьох підприємств.

Терпимість до домішок у наявних крекінг-установках: технічні та експлуатаційні межі

Нафтопродукти піролізу містять 1–3% сірки та оксигенатів, що значно більше, ніж <0,5% у ректифікованому нафті (NREL, 2022). Ці домішки прискорюють утворення коксу та корозію, скорочуючи термін служби реактора на 40–60% за пілотними випробуваннями. Модернізація за допомогою сучасних очисників сірки та двоступеневого охолодження підвищує стійкість, але повномасштабні оновлення обходяться понад $18 млн капітальних витрат.

Співвідношення енергетичних витрат та вартості сировини в операціях піролізу

Витрати на сировину для піролізу становлять приблизно 20–40 доларів США за тону у разі переробки пластикових відходів, що значно дешевше, ніж 600–800 доларів США за тону для очищеного нафтену. Проте тут є певний нюанс. Сам процес використовує на 30–50% більше енергії на тону продукції, тому він є економічно вигідним лише тоді, коли вартість сировини залишається нижчою за 55 доларів США за тону. За даними моделювання, проведеного Інститутом енергетичних переходів, додавання біоолій до установок каталітичного крекінгу зменшує загальні витрати енергії приблизно на 22%. Це допомагає поліпшити економічні показники, зберігаючи стабільний рівень виходу продуктів для більшості операцій.

Стійкість та циклова економіка: роль піролізу в сучасній нафтохімії

Процес піролізу справді допомагає зробити крок у бік принципів циркулярної економіки, адже перетворює непотрібні неможливі для переробки пластики та старі гумові матеріали на щось корисне — по суті, вуглеводні, з якими звичайні методи дистиляції не можуть впоратися. Приблизно 85% усіх пластикових відходів відновлюється за допомогою цього методу, а це означає значне зменшення кількості відходів, що потрапляють на звалища. Крім того, отримані нафти мають досить високу енергетичну цінність — приблизно від 38 до 45 МДж на кілограм, що порівнюється зі стандартними нафтовими продуктами. Деякі нові досягнення в розробці каталізаторів ще більше поліпшують результат. Матеріали, як-от червоний шлам або сполуки Co/SBA-15, допомагають знизити вміст сірки до менше ніж 0,5 масових відсотків, що робить їх набагато ефективнішими при використанні разом із іншими процесами хімічної переробки. Вже є приклади, коли медичні пластики були успішно перероблені, що демонструє, що піроліз може замінити приблизно від 20 до 30% традиційних нафтових палив у FCC-установках. Проте більшість нафтопереробних заводів досі стикаються з труднощами у використанні цієї технології. Лише менше половини з них насправді можуть переробляти нафти піролізу або біонафти разом із звичайними операціями без попередніх значних модернізацій обладнання.

Піролізне нафта як стійка сировина для хімічного переробки

Високий вміст лімонену та БТК у піролізній нафті робить її придатною для виробництва полімерів первинної якості. Переробка однієї тонни відпрацьованих шин дає 450–600 кг нафти, чого достатньо, щоб замінити 30% сировини, отриманої з нафти, у виробництві стиролу.

Каталітичний піроліз поліолефінів: розвиток переробки пластикових відходів

Це зменшує витрати на підготовку на $40–60 за тонну, покращуючи масштабованість.

Сумісне перероблення біонафти та піролізної нафти в установках каталітичного крекінгу: можливості та обмеження

Змішування 10% піролізної нафти з вакуумним газойлем збільшує вихід пропілену на 12%. Однак рівень хлоридів понад 50 ppm створює ризики корозії, що вимагає модернізації реакторів на $2–4 млн для безпечного інтегрування.

Вплив на кінцевий продукт: як способи переробки впливають на якість готової продукції

Вплив температури, тиску та часу перебування на вихід піролізу

Розподіл продуктів під час піролізу залежить від трьох основних факторів: температури, яка зазвичай коливається в межах від приблизно 450 до 800 градусів Цельсія, умов тиску, які можуть змінюватися від нормального атмосферного до помірного вакууму, і тривалості перебування матеріалів у реакторі, зазвичай від півсекунди до тридцяти секунд. Підвищення температури призводить до збільшення кількості утворених газів, зокрема, виходу етилену та пропілену в межах 15–20 відсотків. Для максимізації виходу рідкого палива найкращими є температури в діапазоні від 500 до 650 градусів. Швидке проведення процесу допомагає зберігати важкі сполуки, такі як воски, оскільки це не дає їм розпадатися далі. Якщо залишити матеріал у реакторі надто довго, складні молекули продовжують розщеплюватися на менші, менш стабільні компоненти, які мають менш цінні комерційні властивості.

Каталітичний співпіроліз для оптимізованого виробництва нафти та воску

Каталізатори, такі як цеоліти ZSM-5 або алюмосилікати, підвищують селективність на 15–40%, спрямовуючи розкладання в бік потрібних продуктів. Кислотні каталізатори збільшують вихід легких олефінів (селективність щодо етилену 65–80%) та пригнічують утворення оксигенатів у біомасі. Співпіроліз пластмас із біомасою зменшує в'язкість воску на 30%, поліпшуючи сумісність із існуючою нафтопереробною інфраструктурою.

Гідрооброблена піролізна олія порівняно з прямою нафтою: стабільність, чистота та сумісність

Гідрообробка видаляє приблизно 90–95% вмісту кисню та сірки в піролізному нафтопродукті, що допомагає стабілізувати його до стану, досить близького до дистильованих фракцій нафти. Але тут є підводні камені. Навіть після обробки ці нафтопродукти містять у два або навіть у три рази більше ароматичних сполук, ніж звичайна нафтовая нафта, тому їх не можна використовувати безпосередньо для виробництва поліолефінів без додаткової переробки. Дистильована нафта добре працює з існуючою інфраструктурою, але якщо подивитися на покращені піролізні нафтопродукти, вони пропонують щось інше. Їхні молекули більш різноманітні, що відкриває можливості для нішевих застосувань, таких як виробництво попередників для вуглецевих волокон. Саме ця багатофункціональність робить їх цікавими, попри труднощі, пов’язані з їх використанням.

ЧаП

Яка основна різниця між дистиляцією та піролізом?

Дистиляція — це фізичний процес розділення, який використовує різницю температур кипіння для розділення вуглеводнів, залишаючи молекулярну структуру незмінною. Піроліз, навпаки, передбачає термічний розклад, який назавжди змінює молекулярні структури шляхом радикальних ланцюгових реакцій.

Чому піроліз вважається більш стійким?

Піроліз сприяє стійкості, перетворюючи непридатні для переробки пластики та відходи на корисні вуглеводні, зменшуючи кількість сміття на полігонах та підтримуючи принципи циркулярної економіки.

Які проблеми виникають при використанні піролізних олій у системах дистиляції?

Піролізні олії містять різноманітні забруднювачі та домішки, такі як високий вміст сірки та хлоридів, що робить їх менш стабільними і потребує витратного модифікування існуючих систем дистиляції для ефективної обробки цих домішок.